C++ 中的 std::mutex 與多線程同步
在多線程編程中，互斥鎖（Mutex） 是一種同步機制，用于保護共享資源（如變量、數據結構）免受數據競爭（Data Race）的影響。C++ 標準庫中的 std::mutex 提供了基本的互斥功能，常與 std::lock_guard 或 std::unique_lock 配合使用，以實現線程安全的資源訪問。
1. std::mutex 的基本概念
- 作用：確保在同一時刻只有一個線程可以訪問共享資源。
- 頭文件：
#include <mutex> - 常用方法：
lock()：鎖定互斥鎖，若已被鎖定則阻塞等待。unlock()：釋放互斥鎖。try_lock()：嘗試鎖定互斥鎖，若失敗則立即返回（不阻塞）。
2. 示例：不使用互斥鎖導致數據競爭
場景：多個線程對共享計數器進行遞增操作。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>int counter = 0;void increment() {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {++counter; // 非原子操作，存在數據競爭}
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 10; ++i) {threads.emplace_back(increment);}for (auto& t : threads) {t.join();}std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;return 0;
}
輸出（每次運行結果可能不同）：
Final counter value: 789123 // 錯誤值（期望 1,000,000）
問題分析：
++counter不是原子操作，多個線程同時修改counter導致數據競爭。- 結果不可預測，可能遠小于預期值。
3. 使用 std::mutex 和 std::lock_guard 修復數據競爭
改進方案：通過互斥鎖保護共享資源。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex> // 引入 mutexint counter = 0;
std::mutex mtx; // 定義互斥鎖void increment() {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {mtx.lock(); // 加鎖++counter; // 安全訪問共享資源mtx.unlock(); // 解鎖}
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 10; ++i) {threads.emplace_back(increment);}for (auto& t : threads) {t.join();}std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;return 0;
}
輸出：
Final counter value: 1000000
關鍵點：
- 互斥鎖保護臨界區：
mtx.lock()和mtx.unlock()之間的代碼為臨界區，確保一次只有一個線程執行。 - 避免死鎖：必須成對調用
lock()和unlock()，否則可能導致死鎖。
4. 使用 std::lock_guard 自動管理鎖的生命周期
改進方案：使用 RAII（Resource Acquisition Is Initialization） 模式自動加鎖/解鎖。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>int counter = 0;
std::mutex mtx;void increment() {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 構造時加鎖，析構時自動解鎖++counter; // 安全訪問共享資源}
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 10; ++i) {threads.emplace_back(increment);}for (auto& t : threads) {t.join();}std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;return 0;
}
輸出：
Final counter value: 1000000
優勢：
- 自動解鎖：
lock_guard在作用域結束時自動調用unlock()，避免手動管理鎖。 - 異常安全：即使發生異常，
lock_guard也會確保解鎖。
5. std::unique_lock：更靈活的鎖管理
使用場景：需要延遲鎖定、條件變量或動態鎖定策略。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>std::mutex mtx;
int shared_data = 0;void access_data() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock); // 不立即加鎖// 做一些不需要鎖的操作...lock.lock(); // 顯式加鎖shared_data = 42;std::cout << "Data updated: " << shared_data << std::endl;// lock 在作用域結束時自動解鎖
}int main() {std::thread t(access_data);t.join();return 0;
}
輸出：
Data updated: 42
特點：
- 延遲鎖定：使用
std::defer_lock參數延遲加鎖。 - 支持移動：可以將鎖的所有權轉移到其他線程。
- 配合條件變量：常用于
std::condition_variable的等待操作。
6. 互斥鎖的最佳實踐
| 原則 | 說明 |
|---|---|
| 保護共享資源 | 所有對共享資源的訪問都必須通過互斥鎖保護。 |
| 最小化臨界區 | 鎖定時間越短越好，避免阻塞其他線程。 |
| 避免死鎖 | 按固定順序加鎖，不嵌套加鎖。 |
| 使用 RAII 風格 | 優先使用 lock_guard 或 unique_lock，避免手動調用 lock()/unlock()。 |
| 避免遞歸加鎖 | 默認 std::mutex 不支持遞歸加鎖，多次調用 lock() 會導致死鎖。 |
7. 總結
- 互斥鎖（
std::mutex） 是 C++ 多線程編程中保護共享資源的核心工具。 std::lock_guard提供自動加鎖/解鎖，適合大多數同步場景。std::unique_lock提供更靈活的鎖管理，適用于復雜同步需求（如條件變量）。- 關鍵點：確保所有共享資源訪問都通過互斥鎖保護，避免數據競爭和死鎖。
通過合理使用互斥鎖，可以編寫出高效、安全的多線程程序。
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